(浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

吸收式制冷(熱泵)循環(huán)流程研究進展

陳光明 石玉琦

(浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室浙江大學(xué)制冷與低溫研究所杭州310027)

吸收式制冷作為最早的人工制冷方法，誕生至今已有200多年。在民用和工業(yè)中的實際應(yīng)用有60多年。近20余年來，吸收式制冷在理論與應(yīng)用等方面都取得了迅速發(fā)展，并在制冷機市場上占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，得到國內(nèi)外廠商和學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。隨著人類能源消耗量的不斷增加，需要進一步深入研究新能源、分布式能源及能源的高效利用。余熱、廢熱、可再生的太陽能、地?zé)崮艿鹊睦檬沟脽崮茯?qū)動的吸收式制冷(熱泵)技術(shù)得到越來越多的關(guān)注。

與采用電驅(qū)動蒸氣機械壓縮式制冷(熱泵)系統(tǒng)不同，吸收式制冷(熱泵)技術(shù)可利用采用低品位熱源的熱能直接驅(qū)動，運行成本遠低于電驅(qū)動系統(tǒng)。吸收式系統(tǒng)多采用H2O-LiBr溶液、NH3-H2O溶液等自然工質(zhì)作為制冷劑，具有環(huán)境友好特性，同時具有安全、可無噪音運行、可靠性高等顯著優(yōu)點。但也具有占地面積大、初投資高，冷卻負荷高，一次能源效率低(直燃形式)等不足。針對這些特性，現(xiàn)階段的主要研究方向包括：循環(huán)設(shè)計優(yōu)化、工質(zhì)對選擇、系統(tǒng)部件熱質(zhì)傳遞強化、系統(tǒng)控制策略優(yōu)化等。

狹義的吸收式循環(huán)是指閉式、溶液吸收制冷劑蒸氣的吸收式制冷(熱泵)循環(huán)。該類循環(huán)按照循環(huán)形式分類包括單吸收循環(huán)、多吸收循環(huán)和復(fù)合循環(huán)。單吸收循環(huán)主要包括基本單效吸收循環(huán)、擴散吸收循環(huán)、膜吸收循環(huán)、熱變換器循環(huán)、重力驅(qū)動的閥切換循環(huán)以及自復(fù)疊循環(huán)；多吸收循環(huán)主要包括再吸收循環(huán)、多效循環(huán)、中間效循環(huán)、多級循環(huán)、中間級循環(huán)以及GAX循環(huán)；復(fù)合循環(huán)主要包括噴射-吸收復(fù)合、壓縮-吸收復(fù)合和膨脹-吸收復(fù)合等復(fù)合形式。

現(xiàn)有吸收式制冷技術(shù)研究熱點主要包括且不局限于太陽能、中低溫余熱利用、冷熱電聯(lián)產(chǎn)、儲能(蓄冷、蓄熱)，膜交換材料、高溫下耐腐蝕材料，塑料熱交換器等方面。吸收式循環(huán)現(xiàn)有循環(huán)結(jié)構(gòu)的提出針對的是一定溫度和濃度下循環(huán)，面對新的應(yīng)用場景、新材料以及新吸收工質(zhì)對，吸收式循環(huán)可以提出多種更高效、更寬熱源驅(qū)動溫度范圍和溶液濃度范圍的新循環(huán)。

制冷循環(huán)；吸收式制冷；溴化鋰；氨水；進展；綜述

資源與環(huán)境是人類發(fā)展面臨的兩個關(guān)鍵問題，對應(yīng)的重要解決辦法是節(jié)能和減排。提高能量利用效率，減少污染物排放的重要方法之一是高效利用能源。以熱能驅(qū)動的吸收式制冷(熱泵)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的熱驅(qū)動制冷(熱泵)技術(shù)。同時，吸收式制冷(熱泵)技術(shù)還可以結(jié)合儲能、發(fā)電等技術(shù)，帶來全新的應(yīng)用前景。本文將吸收式制冷(熱泵)均以吸收式制冷進行簡化敘述，所得結(jié)論均適用于吸收式熱泵。

吸收式制冷循環(huán)廣義上包括液體吸收和固體吸附兩種類型，每種按照與外界環(huán)境是否有傳質(zhì)，又可以劃分為開式和閉式兩種[1]。狹義的吸收式制冷是指閉式液體吸收循環(huán)。文中介紹的循環(huán)為閉式液體吸收循環(huán)。

吸收式制冷具有熱驅(qū)動、極少電能消耗或無電能消耗的特點，可以結(jié)合太陽能等可再生能源、廢熱余熱等的利用，以得到良好的經(jīng)濟性能；與其他熱驅(qū)動制冷方式(如蒸氣噴射制冷、Vuilleumier制冷、熱電制冷、熱聲制冷、斯特林制冷)相比，效率更高；吸收式循環(huán)通常采用自然工質(zhì)，應(yīng)用廣泛的兩種工質(zhì)對為H2O-LiBr溶液和NH3-H2O溶液，具有環(huán)境友好的優(yōu)點；吸收式機組負荷可調(diào)節(jié)范圍大，制冷量可調(diào)范圍通常在10%～100%，且在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)性能穩(wěn)定；除溶液泵外，機組幾乎無運動部件，噪聲小，滿足舒適性要求；此外，這些機組結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，操作和維護容易[2]。但吸收式制冷也具有以下一些明顯缺點：以H2O-LiBr溶液為工質(zhì)時，蒸發(fā)壓力低，氣密性要求高，由于溴化鋰的金屬腐蝕性，難以實現(xiàn)過高的發(fā)生溫度；以NH3-H2O溶液為工質(zhì)時，蒸發(fā)壓力高，循環(huán)性能略低；其他工質(zhì)對都具有或多或少的缺陷，另外，吸收式制冷系統(tǒng)相對于電驅(qū)動系統(tǒng)，冷卻負荷大，通常大一倍以上，因此小型化較困難。

吸收式制冷歷史可以追溯到240多年前。最早采用吸收進行制冷的記錄是1777年英國配鏡師、科學(xué)儀器制造商Edward Nairne，他改進了William Cullen爵士的實驗中采用機械抽氣泵抽吸水蒸氣的方法[3]，利用濃硫酸吸收水蒸氣，使未蒸發(fā)的水得到冷卻。原理是液體水上方的空氣被抽掉后，上方水蒸氣被另一個容器的濃硫酸吸收，蒸氣壓降低，液態(tài)水不斷蒸發(fā)吸熱使得剩余水進一步冷卻降溫，直到開始結(jié)冰。K. Gavroglu[4]指出 Ferdinand Carré于1850年制造了制冷裝置用于制冰，采用氨水吸收氨的方法，實物裝置至今在葡萄牙里斯本大學(xué)仍在展出。1859年，獲得了NH3-H2O溶液為工質(zhì)的吸收式制冷機的專利[5]，并建立一個大型連續(xù)吸收制冰裝置；1866年，Edmond Carré將濃硫酸與抽氣泵聯(lián)合使用，并不斷攪拌濃硫酸，改變表面濃度，實現(xiàn)連續(xù)制冰。為應(yīng)對濃硫酸的強腐蝕性，重金屬鉛被用來作為制造制冷機的材料。隨著機械壓縮制冷方式的進步，吸收式制冷機逐漸淡出市場。第一次世界大戰(zhàn)后，能源價格飆升，吸收式制冷機重新得到人們重視。吸收式制冷從理論和實驗得到全面系統(tǒng)的研究。1945年第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國Carrier公司生產(chǎn)出首臺溴化鋰吸收式制冷機[6]，它在效率、安全性等方面都較之前的制冷機有極大提高?，F(xiàn)在商用吸收式制冷機產(chǎn)品仍然采用這種方式，僅在能效方面有改進。

吸收式制冷機多采用H2O-LiBr溶液為工質(zhì)，20世紀(jì)70年代，美國傳統(tǒng)吸收式制冷機制造商由于美國能源結(jié)構(gòu)變化，大多減少甚至放棄吸收式制冷機的加工和制造[7]。日本于1959年和1962年分別成功研制單效和雙效型溴化鋰制冷機[8]。我國也于1966年和1982年分別制造出單效[9]和雙效[2]機組。如今主要的制造商集中在東亞的中日韓等國。如中國的遠大、雙良，韓國的LG，日本的荏原和三菱等。此外，還有美國的開利、特靈，以及印度的Thermax等公司。由于采用機器人焊接技術(shù)，溴化鋰制冷機的氣密性幾乎已經(jīng)不再成為限制因素。

吸收式制冷機除了應(yīng)用于特殊需求的民用空調(diào)、小型吸收式冰箱外，還廣泛應(yīng)用于熱電、化工、冶金、水泥等大量產(chǎn)生廢熱的工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)Persistence Market Research 調(diào)查報告顯示，2015年全球溴化鋰吸收式冷(熱)水機組市場銷售量為11 875套，2016年達到12 203套，2016年至2024年的年平均增長率預(yù)計為6.4%。據(jù)中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2015年兩種溴化鋰吸收式冷(熱)水機組(直燃型和蒸氣-熱水型)中國市場銷售量超過3 000套，銷售額約32億元，其中蒸氣-熱水型溴化鋰吸收式冷水機組占總銷售額的三分之二以上[10]。

為了介紹方便，一些定義需要加以統(tǒng)一。一般教科書或其他文獻中通常所說的“濃溶液”、“稀溶液”是以溶質(zhì)相對于溶劑作為參考，具有一定的確定性；吸收式制冷工質(zhì)對以溶液形式存在，工質(zhì)對中易揮發(fā)的組分通常作為制冷劑，難揮發(fā)或不揮發(fā)的組分作為吸收劑，具有相對性?！爸评鋭?吸收劑”與“溶質(zhì)-溶劑”并不一一對應(yīng)，如水在NH3-H2O溶液和H2O-LiBr水溶液循環(huán)中分別作為吸收劑和制冷劑。本文將制冷劑含量較多的溶液稱為“強溶液(strong solution)”，將制冷劑含量較少的溶液稱為“弱溶液(weak solution)”，以避免用“濃溶液”和“稀溶液”導(dǎo)致的混淆。文中有關(guān)的術(shù)語定義如表1所示[11]。

表1 吸收循環(huán)中基本術(shù)語Tab.1 Terminology in absorption cycle

最基本的連續(xù)吸收式制冷循環(huán)原理如圖1所示。

基本的吸收式制冷系統(tǒng)主要包括四個換熱單元(發(fā)生器、吸收器、冷凝器和蒸發(fā)器)、溶液泵和節(jié)流元件等部件。強溶液經(jīng)過溶液泵加壓后在發(fā)生器中加熱升溫、等壓發(fā)生成為弱溶液后，經(jīng)過節(jié)流降壓進入吸收器，發(fā)生出的制冷劑蒸氣被排入冷凝器中冷凝，冷凝熱被外部熱沉帶走。制冷劑經(jīng)過節(jié)流降壓后，進入蒸發(fā)器中制冷，蒸發(fā)后的制冷劑蒸氣被吸收器中弱溶液吸收，吸收熱排出系統(tǒng)，保證吸收過程可持續(xù)進行。

表2 循環(huán)圖中圖形或符號的含義Tab.2 Meaning of a graph or symbol in absorptioncycle′s p-T diagram

圖1 基本的連續(xù)吸收式制冷循環(huán)原理Fig.1 Schematic diagram of basic continuous absorption refrigeration cycle

吸收式制冷循環(huán)主要由溶液環(huán)路和制冷劑環(huán)路組成，對于不同的吸收式制冷循環(huán)，不同環(huán)路之間存在性質(zhì)不同的傳熱和傳質(zhì)關(guān)系。筆者按照溶液循環(huán)的環(huán)路個數(shù)將吸收式循環(huán)分為兩類：單吸收式循環(huán)，即只有一對發(fā)生器-吸收器組合，只發(fā)生一次吸收過程的循環(huán)；多吸收式循環(huán)，即具有兩對或多對發(fā)生器-吸收器組合，發(fā)生兩次或多次以上吸收過程的循環(huán)。帶有噴射器、壓縮機或膨脹機等非吸收式換熱設(shè)備的循環(huán)劃分為復(fù)合循環(huán)，如圖2所示。

圖2 吸收式制冷循環(huán)分類Fig.2 Categories of absorption refrigeration cycle

1 單吸收式循環(huán)

單吸收式循環(huán)中蒸氣只被吸收劑吸收一次，如果采用的吸收劑具有揮發(fā)性，發(fā)生器發(fā)生出制冷劑蒸氣需要精餾器精餾提純后再進一步冷凝蒸發(fā)，與非揮發(fā)性吸收劑的原理相同，一部分熱量用于蒸餾提純，另一部分制冷劑在精餾裝置中冷卻回流。系統(tǒng)性能系數(shù)下降。

1.1基本單效吸收式循環(huán)

基本單效吸收式循環(huán)表示在p-T圖中，如圖3所示。發(fā)生器中富含制冷劑的“強溶液”在外部熱源的加熱下，發(fā)生出制冷劑蒸氣，溶液濃縮為貧乏制冷劑的“弱溶液”，經(jīng)過節(jié)流降壓后進入吸收器。制冷劑蒸氣進入冷凝器，熱量被外部環(huán)境帶走，冷凝成為飽和或過冷液體制冷劑。經(jīng)過節(jié)流降壓元件，壓力降至蒸發(fā)壓力進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生制冷效果。飽和或過熱的制冷劑蒸氣被貧乏制冷劑的“弱溶液”吸收，吸收過程產(chǎn)生大量的吸收熱被外部環(huán)境帶走，使吸收過程可以持續(xù)進行，吸收劑溶液吸收制冷劑蒸氣后濃度上升，由溶液泵加壓后返回發(fā)生器，由于液體比體積隨壓力的變化很小，因此泵的功耗也很小。循環(huán)過程往復(fù)不止，為了提高熱量利用效率，系統(tǒng)添加溶液換熱器進行回?zé)?，可有效減少發(fā)生器熱量需求。

圖3 單效吸收式制冷循環(huán)Fig.3 Single effect absorption refrigeration cycle

單效吸收式制冷循環(huán)是結(jié)構(gòu)最簡單的吸收式制冷循環(huán)，多數(shù)學(xué)者采用控制方程、利用計算機編程語言，模擬計算的研究方法；也有學(xué)者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多主體仿真、差分進化、夾點分析等方法，主要研究循環(huán)的穩(wěn)態(tài)特性。除了模擬穩(wěn)態(tài)特性，近期文獻中，有學(xué)者進行動態(tài)特性研究[12-14]。

采用不同制冷劑時，單效吸收式制冷循環(huán)性能有很大不同。采用H2O-LiBr溶液工質(zhì)對時，理論上COP可大于0.7，實驗結(jié)果與理論結(jié)果通常符合較好；采用NH3-H2O工質(zhì)對時，理論性能稍低于溴化鋰工質(zhì)對，最大COP小于0.6，實驗結(jié)果較理論結(jié)果通常偏低。采用其他工質(zhì)對的制冷循環(huán)性能，一般較前面兩種傳統(tǒng)吸收式工質(zhì)對低。一些近期理論和實驗結(jié)果如表3所示。

1.2擴散吸收式循環(huán)

擴散吸收式制冷循環(huán)因其在循環(huán)各處壓力基本保持一致，通常被認為是單壓力吸收式制冷循環(huán)，循環(huán)中有三種流體工質(zhì)，除吸收劑外，還有制冷劑和用于壓力平衡的擴散劑。根據(jù)被吸收的工質(zhì)是制冷劑還是擴散劑，擴散吸收式循環(huán)可分為Platen-Munters擴散吸收循環(huán)和Einstein-Szilard擴散吸收循環(huán)，兩種循環(huán)分別于1928年[21]和1930年[22]被提出。兩種擴散吸收制冷循環(huán)都依賴于一種熱虹吸循環(huán)裝置——氣泡泵[23]取代機械功驅(qū)動的溶液循環(huán)泵。

表3 近期文獻中單效吸收式制冷系統(tǒng)性能Tab.3 Performance of single effect absorption refrigeration systems in recent literatures

1.2.1Platen-Munters擴散吸收循環(huán)

Platen-Munters擴散吸收循環(huán)三種工質(zhì)分別是吸收劑、被吸收劑吸收的制冷劑和壓力平衡氣體。主要由發(fā)生器、氣泡泵、吸收器、冷凝器和蒸發(fā)器組成，無節(jié)流元件。Platen-Munters擴散吸收式循環(huán)的原理如圖4所示。發(fā)生器發(fā)生出的制冷劑蒸氣經(jīng)過分離器(氣泡泵頂部的氣液分離裝置)進入冷凝器，冷凝成為液態(tài)制冷劑，進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成為氣態(tài)并與來自吸收器的平衡氣體混合，制冷劑蒸氣在進入吸收器前經(jīng)過氣體回?zé)崞髋c平衡氣體進行熱交換，在吸收器中被吸收。經(jīng)過發(fā)生器發(fā)生后，氣泡泵頂部經(jīng)過分離器分離后的“弱溶液”進入吸收器吸收制冷劑，循環(huán)往復(fù)。制冷劑與擴散劑在蒸發(fā)器和吸收器中組成氣態(tài)均相的混合物，制冷劑在吸收器中被不斷吸收，混合物中分壓力降低，制冷劑不斷從組分濃度高的蒸發(fā)器向組分濃度低的吸收劑擴散，因此該種吸收循環(huán)被稱為擴散吸收式循環(huán)。

圖4 Platen-Munters擴散吸收循環(huán)Fig.4 Platen-Munters diffusion absorption cycle

受限于氣泡泵的輸送能力，擴散吸收循環(huán)的制冷量通常較小，一般在200～400 W，COP為0.2～0.25[24]。NH3-H2O-H2是擴散式吸收循環(huán)最常見的工質(zhì)。其中吸收工質(zhì)對也可以采用與單效吸收循環(huán)相同的其他工質(zhì)對，惰性氣體用于平衡系統(tǒng)間壓力，惰性擴散氣體主要采用密度小、流動阻力小，換熱系數(shù)低和動力黏度低的低沸點氣體。擴散吸收式循環(huán)的一個關(guān)鍵部件是可以實現(xiàn)液體無機械泵輸送的裝置氣泡泵。氣泡泵的流型對制冷劑的傳輸至關(guān)重要，S. J. White等[25]發(fā)現(xiàn)塞狀流型具有最高的效率。氣泡泵的性能直接影響整個系統(tǒng)的循環(huán)性能，針對氣泡泵性能的影響因素，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的理論和實驗研究，主要針對其浸沒比、流體的流型、加熱功率、溶液濃度、長徑比等進行分析[26]，也有學(xué)者采用不同的氣泡泵和發(fā)生器的構(gòu)造結(jié)構(gòu)形式進行研究。此外，針對系統(tǒng)循環(huán)，N. B. Ezzine 等[27]采用低碳原子數(shù)被高碳原子數(shù)烷烴吸收的工質(zhì)對進行研究，A. Acua等[28]采用NH3-LiNO3-H2進行擴散吸收循環(huán)實驗。B. Gurevich等[29]采用并聯(lián)氣泡泵提高循環(huán)的制冷量，X. H. Han等[30]采用有機吸收工質(zhì)對對擴散吸收系統(tǒng)進行實驗研究。

1.2.2Einstein-Szilard擴散吸收循環(huán)

Einstein-Szilard擴散吸收循環(huán)簡稱愛因斯坦循環(huán)，也是由三種工質(zhì)組成的單壓吸收循環(huán)。與Platen-Munters擴散吸收循環(huán)不同之處在于，被吸收的氣體作為壓力平衡氣體，第三種工質(zhì)作為制冷劑。愛因斯坦循環(huán)的三種工質(zhì)為丁烷-水-氨，組成主要有發(fā)生器、氣泡泵、冷凝/吸收器和蒸發(fā)器，作為單壓吸收循環(huán)，也沒有節(jié)流裝置。愛因斯坦循環(huán)工作原理如圖5所示。發(fā)生器發(fā)生出的平衡氣體經(jīng)過氣體回?zé)崞髦苯舆M入蒸發(fā)器與制冷劑混合，經(jīng)過氣液分離后的貧乏平衡氣體的溶液進入冷凝/吸收器，蒸發(fā)器蒸發(fā)出的制冷劑蒸氣與平衡氣體經(jīng)過氣體換熱器進入冷凝/吸收器，在冷凝/吸收器中平衡氣體被吸收，吸收劑溶液和制冷劑被外部冷卻成為液態(tài)，制冷劑與富含平衡氣體的吸收劑溶液不互溶，產(chǎn)生分層。制冷劑液體經(jīng)過預(yù)冷后流回蒸發(fā)器產(chǎn)生制冷效果。

圖5 Einstein-Szilard擴散吸收循環(huán)Fig.5 Einstein-Szilard diffusion absorption cycle

K. Mejbri等[31]通過對Einstein-Szilard擴散吸收循環(huán)理論模擬，得出當(dāng)冷凝溫度30 ℃和40 ℃時，COP分別為0.183和0.134，當(dāng)冷凝溫度高于50 ℃時，系統(tǒng)將無法制冷，采用替代的三元工質(zhì)可能會避免該問題。由于三元工質(zhì)相平衡尚無被廣泛認可的相互之間作用參數(shù)，文獻中采用兩元作用參數(shù)近似擬合[32]，該模擬精度需要進一步進行驗證。另外同樣采用氨-水-丁烷三元工質(zhì)的Rojey循環(huán)與傳統(tǒng)氨水吸收制冷循環(huán)結(jié)構(gòu)相同，丁烷為平衡氣體，可以進一步降低蒸發(fā)器中氨的蒸發(fā)壓力，制得更低溫度的冷量[33]。

1.3膜吸收式循環(huán)

膜吸收式循環(huán)原理如圖6所示，吸收器和發(fā)生器處于同一腔體，吸收器中制冷劑濃度高于發(fā)生器中制冷劑濃度，用滲透膜隔離吸收器中強溶液和發(fā)生器中弱溶液，滲透膜選擇性通過溶液中的制冷劑組分，無需溶液泵維持循環(huán)。由于滲透膜需要同時具有高度的選擇透過性、絕熱性等特點，該吸收式循環(huán)最早由G. Zerweck[34]于1980年提出，之后研究人員主要進行理論可行性分析。由于膜兩側(cè)壓力可能不平衡，發(fā)生器和吸收之間需連接減壓閥。改進的膜吸收循環(huán)首先用溶液泵提高壓力和加熱單元進行加熱升溫，再利用膜分離發(fā)生-冷凝器進行分離。理論COP可達0.5，但根據(jù)該循環(huán)建造的原型機COP僅約為0.06[35]。膜分離技術(shù)可以應(yīng)用于部件優(yōu)化，如強化吸收器、發(fā)生器和溶液換熱器等的傳熱傳質(zhì)，可在不改變循環(huán)結(jié)構(gòu)的情況下提升部件性能；此外，可采用微通道換熱等緊湊型換熱方式，有效減小吸收式制冷機部件的體積[36]。另外，對常規(guī)溴化鋰吸收式制冷的發(fā)生器進行膜分離改造，可將傳熱和傳質(zhì)兩個過程分開，適用于汽車空調(diào)等惡劣環(huán)境[37]。

圖6 膜接觸吸收循環(huán)Fig.6 Membrane-based absorption refrigeration cycle

1.4吸收式熱變換器

吸收式熱變換器也稱第二類吸收式熱泵，是一種提高熱量品質(zhì)的循環(huán)形式。與第一類吸收式熱泵相似，也具有高溫、中溫和低溫三個溫度位。第一類吸收式熱泵(制冷)循環(huán)高溫位熱源作為驅(qū)動，當(dāng)環(huán)境作為中溫?zé)嵩磿r，低溫位產(chǎn)生制冷效果；當(dāng)環(huán)境作為低溫位熱源時，中溫位熱源產(chǎn)生制熱效果。以制冷循環(huán)為例，可以看作兩個循環(huán)的耦合：一個是高溫位熱源和中溫位環(huán)境熱源的正卡諾循環(huán)，另一個是中溫位環(huán)境熱源和低溫位熱源組成的逆卡諾循環(huán)。兩者產(chǎn)生的功和消耗的功剛好抵消。如果采用中溫位熱源作為驅(qū)動，低溫位為環(huán)境溫度，兩者之間構(gòu)成正卡諾循環(huán)，可以使中溫位熱源與更高溫度熱源之間構(gòu)造逆卡諾循環(huán)，進一步提升溫度，即吸收式熱變換器。原理如圖7所示，與基本單效吸收式制冷循環(huán)相比，需要在制冷劑回路中引入增壓泵，四個主要換熱單元的溫度和壓力關(guān)系有很大不同，其中吸收器和蒸發(fā)器處于高壓，發(fā)生器和冷凝器處于低壓。蒸發(fā)器和發(fā)生器在中溫位，冷凝器在低溫位向環(huán)境放熱，吸收器在高溫端產(chǎn)生更高品位熱量。

吸收式熱變換器的小型實驗裝置用于水的凈化時，產(chǎn)熱量為0.7～5 kW，熱效率為0.15～0.43；用于產(chǎn)生蒸氣時，產(chǎn)熱量為1～10 kW，熱效率0.1～0.2，當(dāng)輸入熱源量大時，熱效率可以達到0.4；工業(yè)應(yīng)用的大型裝置熱效率為0.45～0.47，投資回報周期為2～3.1年，受到市場原油價格影響較大[38]。除了熱效率，溫度提升能力，即Ta-Tg，也是熱變換器的一個重要性能指標(biāo)，以水的凈化為目的的循環(huán)，溫度提升為18～28 ℃；以“Carrol-水“流體為工質(zhì)對的循環(huán)，溫度提升可以達到40 ℃以上[39]，以TFE-E181為工質(zhì)對的循環(huán)可以高達65 ℃[40]。

圖7 吸收式熱變換器循環(huán)Fig.7 Absorption heat transformer cycle

1.5閥切換式吸收循環(huán)

閥切換式吸收式循環(huán)是一種利用熱能驅(qū)動、無泵、間歇發(fā)生的吸收式循環(huán)，原理如圖8所示，由I. Eames等[41]提出。發(fā)生器通過加熱升溫升壓，將部分弱溶液輸送到相對位置更高的吸收器中，開啟閥門后，吸收器中吸收制冷劑后的強溶液利用自身重力回流到發(fā)生器中，在溶液回流的過程中發(fā)生器發(fā)生出制冷劑蒸氣，依次冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)。發(fā)生過程隨閥門開合間歇性的進行，吸收過程保持持續(xù)進行，因此制冷也是連續(xù)的。理論COP可大于0.6，與連續(xù)的吸收式制冷循環(huán)接近。A. Paurine等[42]對此進行了實驗設(shè)計和論證，但并未給出實驗結(jié)果。

圖8 閥切換吸收式制冷循環(huán)Fig.8 Valve operated absorption refrigeration cycle

1.6自復(fù)疊吸收式循環(huán)

自復(fù)疊是一種有效的采用單一壓縮過程制取低溫位冷量的循環(huán)方式，制冷劑工質(zhì)采用兩元或多元非共沸混合物。壓縮式制冷中采用自復(fù)疊可以有效減小壓縮機數(shù)量，提高系統(tǒng)循環(huán)耦合能力，降低蒸發(fā)溫度。通過多級分凝，低沸點組分不斷被分離出來，蒸發(fā)獲得低溫。吸收式循環(huán)同樣可以采用自復(fù)疊的方式，溶液循環(huán)取代壓縮式自復(fù)疊中的壓縮機，循環(huán)如圖9所示。Y. J. He等[43]采用R23+R32+R134a/DMF工質(zhì)對進行理論研究；采用這種循環(huán)形式在163 ℃的發(fā)生溫度下，制取-47.2 ℃冷量；利用122.5 ℃ 驅(qū)動熱源制取-52.9 ℃ 冷量為液化天然氣進行預(yù)冷。

圖9 自復(fù)疊吸收式制冷循環(huán)Fig.9 Auto-cascade absorption refrigeration cycle

2 多吸收式循環(huán)

多吸收循環(huán)中制冷劑蒸氣會被發(fā)生或吸收兩次或兩次以上，每次發(fā)生或吸收，蒸氣都需要被加熱發(fā)生，從溶液中脫離出一次，或被冷卻吸收進入溶液中一次。為了提高熱能利用效率，或降低驅(qū)動熱源溫度，從而拓展可利用的熱源范圍，多吸收式循環(huán)通常采用循環(huán)間能量或質(zhì)量耦合的方法，對熱量多效或多級利用。Z. Y. Xu等[44]按照吸收式循環(huán)熱量或質(zhì)量耦合方式不同，將循環(huán)分為“冷凝-發(fā)生熱耦合”、“吸收-發(fā)生熱耦合”、“吸收-蒸發(fā)熱耦合”、“冷凝-蒸發(fā)熱耦合”和“發(fā)生-吸收質(zhì)量耦合”，以及混合能量、質(zhì)量耦合等類別，該分類方法有助于深入了解不同循環(huán)之間熱、質(zhì)傳遞關(guān)系。本節(jié)按照驅(qū)動熱源的熱利用效率，將多吸收循環(huán)分為再吸收循環(huán)、多效循環(huán)、中間效循環(huán)、多級循環(huán)、中間級循環(huán)和GAX循環(huán)。

2.1再吸收循環(huán)

再吸收循環(huán)是采用溶液環(huán)路(包括吸收器、發(fā)生器、溶液換熱器、溶液泵和節(jié)流閥)替換單效吸收制冷循環(huán)中制冷劑回路(包括冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器)，由兩個溶液環(huán)路通過制冷劑質(zhì)量傳遞形成的循環(huán)。其中“再發(fā)生器”替代單效循環(huán)中蒸發(fā)器，“再吸收器”替代單效循環(huán)中冷凝器，為了能夠使“再發(fā)生器”在較低溫位下發(fā)生出蒸氣，“再吸收器”在較高溫位下吸收蒸氣，需要溶液泵進行加壓，將“再發(fā)生器”中溶液泵送到“再吸收器”中。原理如圖10所示。與單效吸收式循環(huán)相比，再吸收循環(huán)由于采用溶液替代純制冷劑工質(zhì)，溶液濃度可調(diào)，但裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，內(nèi)部不可逆性增加，性能下降；但如果冷端采用變溫?zé)嵩矗瑹嵩雌ヅ湫蕴岣?，系統(tǒng)性能會得到彌補[45]。通過模擬計算，采用H2O-LiBr溶液工質(zhì)對，假定放氣范圍均為0.05，制冷溫度為5 ℃時，再吸收循環(huán)較單效吸收循環(huán)性能高[46]。此外，再吸收環(huán)路與機械功驅(qū)動壓縮機構(gòu)成增溫?zé)岜每梢赃_到124 ℃的溫度提升[47]。

圖10 再吸收循環(huán)Fig.10 Resorption cycle

2.2多效吸收式循環(huán)

多效吸收式循環(huán)是指一次外部熱量輸入，通過循環(huán)內(nèi)部熱量耦合，兩次或多次發(fā)生出的制冷劑蒸氣用于制冷的循環(huán)。多效吸收式循環(huán)由兩個或多個溶液循環(huán)與制冷劑回路(或再吸收環(huán)路)組成。高溫級循環(huán)放熱部件(如冷凝器、吸收器、再吸收器)排出的熱量對低溫級吸熱部件(如發(fā)生器、蒸發(fā)器、再發(fā)生器)進行加熱。常見的兩種熱量耦合方式為冷凝-發(fā)生熱耦合和吸收-發(fā)生熱耦合。熱量在循環(huán)中通過內(nèi)部熱耦合得到高效利用。多效吸收式循環(huán)的外部熱源驅(qū)動溫度相對單效吸收循環(huán)高。采用冷凝-發(fā)生熱耦合，高溫級的發(fā)生器需要更高的發(fā)生壓力，稱為增壓增效型；如果采用吸收-發(fā)生熱耦合，高溫級發(fā)生器中需要更高濃度吸收劑的溶液，稱為增濃度增效型。因此前者主要適用于發(fā)生壓力低，鹽溶液作為吸收劑的循環(huán)，如H2O-LiBr吸收式循環(huán)，而不適用于發(fā)生壓力過高的NH3-H2O吸收式循環(huán)；后者主要適用于濃度跨度大的循環(huán)，如NH3-H2O吸收式循環(huán)，而不適用于容易產(chǎn)生結(jié)晶問題的H2O-LiBr溶液吸收式循環(huán)。

2.2.1兩效吸收式循環(huán)

吸收制冷機產(chǎn)品中，目前最為廣泛被應(yīng)用的循環(huán)形式是兩效吸收式循環(huán)，該循環(huán)形式可以有效地利用工業(yè)廢熱和溫度較高的太陽能熱。商用吸收式制冷機的熱源，主要有帶壓的高溫?zé)崴?、常壓蒸氣和動力余熱煙氣或熱空氣。根?jù)K. E. Herold等[7]的簡化的“零序模型”，傳熱過程不可逆損失是影響效率的最關(guān)鍵因素，因此，外部熱源的不同形式對能量效率和效率有很大影響，比熱容大的帶壓熱水損最低，比熱容小的熱空氣損最高[48]。

兩效吸收式循環(huán)包括“冷凝-發(fā)生”(增壓)增效型、“吸收-發(fā)生”(增濃度)增效型和再吸收型增效型。原理如圖11所示。采用“冷凝-發(fā)生”熱耦合形式的兩效吸收式循環(huán)，根據(jù)吸收器出口強溶液進入兩個發(fā)生器的方式不同，可以構(gòu)成兩種主要循環(huán)形式，并聯(lián)兩效吸收式循環(huán)和串聯(lián)兩效吸收式循環(huán)，其中串聯(lián)兩效吸收式循環(huán)根據(jù)吸收器出口強溶液進入高、低溫發(fā)生器的先后順序不同構(gòu)成兩種循環(huán)形式(順流串聯(lián)兩效吸收式循環(huán)和逆流串聯(lián)兩效吸收式循環(huán))，原理如圖12所示。M. B. Arun等[49]比較了3種兩效循環(huán)發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)循環(huán)效率略高于串聯(lián)循環(huán)，但并聯(lián)循環(huán)性能受到低溫溶液換熱器影響較大，同時并聯(lián)循環(huán)存在溶液分配比例控制的問題，控制難度比串聯(lián)循環(huán)大。

圖11 兩效吸收式循環(huán)Fig.11 Double effect absorption cycle

圖12 “冷凝-發(fā)生”(增壓)兩效吸收式循環(huán)Fig.12 Condensation-generation double effect absorption cycle

S. Kaushik等[50]對串聯(lián)兩效循環(huán)進行理論研究，得到在蒸發(fā)溫度為7.2 ℃，冷凝溫度和吸收溫度為37.8 ℃時，COP和效率隨發(fā)生溫度變化，COP變化范圍為1～1.28，效率在發(fā)生溫度為150 ℃時達到最大值為12%。A. Hamed 等[51]以四個溫度作為變量，針對結(jié)構(gòu)尺寸固定的兩效吸收式循環(huán)能量效率和熱力學(xué)效率的影響因素，進行了多參數(shù)擬合，得到COP和效率的擬合關(guān)系式。該關(guān)系式是針對H2O-LiBr溶液工質(zhì)，采用的是內(nèi)部參數(shù)進行計算，假設(shè)一定的換熱器效率和泵效率，對外部參數(shù)不予考慮，對探究參數(shù)間相互關(guān)系有理論指導(dǎo)意義，但對實驗以及產(chǎn)品設(shè)計指導(dǎo)意義不大。

圖13 “冷凝-發(fā)生”熱耦合三效吸收式循環(huán)Fig.13 Condensation-generation triple effect absorption cycle

采取“吸收-發(fā)生”熱耦合形式的兩效吸收循環(huán)，需要吸收器和發(fā)生器在相同溫度位工作。高溫級循環(huán)和低溫級循環(huán)需要較大的濃度差，可以采用NH3-H2O溶液作為工質(zhì)，S. Adewusi等[52]對采用該種方式的兩效循環(huán)進行研究，在蒸發(fā)溫度為-10 ℃時，COP達到0.734，高于單效的0.598，但熵產(chǎn)也遠高于單效，分析其原因為增加發(fā)生器數(shù)量導(dǎo)致更多的傳熱溫差損失。該循環(huán)具有顯著提高氨水吸收循環(huán)熱效率的特點，同時循環(huán)僅工作在兩個壓力位下，可以有效防止NH3-H2O循環(huán)因增效而帶來壓力過高的問題。盡管如此，與H2O-LiBr溶液為工質(zhì)雙效循環(huán)相比，壓力仍然過高，且效率過低，因此沒有進一步商業(yè)應(yīng)用。為進一步提高該循環(huán)效率，R. Ventas等[53]采用NH3-LiNO3為工質(zhì)對，“吸收-發(fā)生”熱耦合兩效形式進行理論研究，100 ℃熱水熱源驅(qū)動下，最大COP可達1.25。

2.2.2三效吸收式循環(huán)

三效吸收式循環(huán)是在兩效吸收循環(huán)的基礎(chǔ)上進一步增效得到的新循環(huán)。增效的方法是提高溶液發(fā)生器的溫度，采用“冷凝-發(fā)生”熱耦合的方式，將發(fā)生器發(fā)生出的蒸氣加熱中溫發(fā)生器；或采用“吸收-發(fā)生”熱耦合的方式，利用高溫級吸收器放出熱量加熱中溫發(fā)生器。中溫發(fā)生器和低溫發(fā)生器構(gòu)成兩效吸收循環(huán)。因此，有多種方式構(gòu)成三效循環(huán)，如圖13和圖14所示。鄭飛等[54]對多種三效循環(huán)的循環(huán)形式進行了文獻綜述。

圖14 三效吸收式循環(huán)Fig.14 Triple effect absorption cycle

Y. Kaita[55]比較了“冷凝-發(fā)生”熱耦合形式的三種三效循環(huán)(串聯(lián)、并聯(lián)、逆流)，綜合比較了不同形式循環(huán)的COP、最高溫度、最高壓力、溶液泵數(shù)量、調(diào)控流量難度等幾個因素。其中并聯(lián)形式的COP最高，但控制難度最大，串聯(lián)形式的最高溫度和最高壓力較低，逆流循環(huán)溶液泵需要過多溶液泵。R. Gomr[56]對串聯(lián)“冷凝-發(fā)生”熱耦合三效形式循環(huán)進行了模擬，采用H2O-LiBr溶液為工質(zhì)對，冷卻水25 ℃/30 ℃，冷媒水12 ℃/7 ℃，該三效循環(huán)三個發(fā)生器的溫度分別為190 ℃、134.8 ℃和81 ℃時，COP可達1.766，效率可達35.1%。M. E.lvarez等[57]對“冷凝-發(fā)生”熱耦合三效吸收式循環(huán)性能進行了研究，由于實際應(yīng)用中溴化鋰溶液高于180 ℃時存在熱穩(wěn)定性和腐蝕性問題，因此采用硝酸鋰、硝酸鉀、硝酸鈉水溶液作為吸收劑，取代溴化鋰溶液，循環(huán)COP可達1.73。B. H. Gebreslassie等[58]在對從半效到三效多種循環(huán)進行比較分析時，仍然采用H2O-LiBr溶液工質(zhì)對，模擬計算結(jié)果顯示，并聯(lián)和串聯(lián)三效循環(huán)COP可以高達2.321和2.312，效率分別為47.0%和44.7%。

2.2.3四效及以上效吸收式循環(huán)

四效及以上效吸收式循環(huán)可以認為在更低效吸收循環(huán)的基礎(chǔ)上進一步增效得到的新循環(huán)。增效方式同樣采用“冷凝-發(fā)生”熱耦合，“吸收-發(fā)生”熱耦合。查閱到的三效循環(huán)相關(guān)文獻是理論模擬結(jié)構(gòu)，四效及以上效吸收式循環(huán)則是概念層面提出[11, 59]，尚未查閱到有學(xué)者對其進行模擬和實驗研究，原理如圖15～圖18所示。

2.3中間效吸收式循環(huán)

為提高吸收循環(huán)效率，有效利用溫度不斷變化的熱源(如日間逐時太陽能集熱器熱源)的熱量，Z. Y. Xu等[60]提出了一種變效循環(huán)，該循環(huán)可以有效利用單效至兩效之間的變溫度位熱源。該循環(huán)采用的是吸收-發(fā)生熱耦合的方式，其中低壓吸收器出口溶液分流后，分別進入高壓吸收器和高壓發(fā)生器。利用高壓吸收器的吸收熱，對第二低壓發(fā)生器進行加熱，該循環(huán)根據(jù)高壓發(fā)生器的發(fā)生溫度變化調(diào)節(jié)分流溶液的質(zhì)量比：當(dāng)高發(fā)溫度足夠高時，溶液更多流入高壓發(fā)生器，系統(tǒng)逐漸進化為兩效循環(huán)；當(dāng)熱源溫度足夠低時，退化為單效循環(huán)，實現(xiàn)變效的目的。原理如圖19所示。當(dāng)熱源溫度在85～150 ℃變化時，其理論COP變化范圍為0.75～1.25。Z. Y. Xu等[61]進一步進行了實驗驗證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生溫度在95～120 ℃變化時，COP為0.69～1.08。

圖15 四效吸收式循環(huán)Fig.15 Quadruple effect absorption cycle

圖16 五效吸收式循環(huán)Fig.16 Quintuple effect absorption cycle

圖17 六效吸收式循環(huán)Fig.17 Six-effect absorption cycle

圖18 七效吸收式循環(huán)Fig.18 Seven-effect absorption cycle

圖19 “吸收-發(fā)生”熱耦合變效循環(huán)(單效到雙效之間)Fig.19 Absorption-generation variable effect absorption cycle (from single effect to double effect)

圖20 “蒸發(fā)-吸收”熱耦合變效循環(huán)(單效到雙效之間)Fig.20 Evaporation-absorption variable effect absorption cycle (from single effect to double effect)

此外，采用“吸收-蒸發(fā)”熱耦合的方式，中間蒸發(fā)溫度的冷量可以對吸收器進行冷卻，達到“減效”的目的。D. L. Hong等[62]利用該種熱耦合方式，構(gòu)建了1.x效吸收式制冷循環(huán)，可以利用單雙效中間溫位熱源。部分制冷劑在高溫蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，用于冷卻高溫吸收器，相比單效循環(huán)效率，效率可以提升20%～40%，原理如圖20所示。

為了充分利用單效到雙效之間的溫度位熱源，特別是具有大溫度滑移的熱源，Y. Q. Shi等[63]采用擴大發(fā)生器中濃度差變化的方法，使發(fā)生器溶液有較大的溫度滑移，同時增加一個低溫、低壓吸收器，與高溫蒸發(fā)器進行“吸收-蒸發(fā)”熱耦合，降低了發(fā)生溫度。該大溫度滑移“蒸發(fā)-吸收”熱耦合的中間效循環(huán)較單效性能有較大提高，可以充分利用具有大溫度滑移的熱源，使得發(fā)生器內(nèi)外具有更好的傳熱匹配性從而降低傳熱不可逆損失，同時有效降低熱源蒸氣(或煙氣)使用量，提高經(jīng)濟性能。原理如圖21所示。

2.4多級吸收式循環(huán)

多級吸收式循環(huán)是指一次輸出外部冷量，通過循環(huán)內(nèi)部熱量或質(zhì)量耦合，需兩次或多次外部熱量輸入的制冷循環(huán)。多級吸收式循環(huán)由兩個或多個溶液循環(huán)和制冷劑回路組成，主要有“發(fā)生-吸收”質(zhì)量耦合、“蒸發(fā)-吸收”熱量耦合和帶再吸收循環(huán)三種類型。兩級和多級吸收式循環(huán)原理如圖22和圖23所示。其中圖22(a)和圖23(a)“發(fā)生-吸收”質(zhì)量耦合是指低壓級循環(huán)發(fā)生出的制冷劑蒸氣與高壓級吸收器進行傳質(zhì)，是典型的多級循環(huán)。此外，如圖22(b)一份外部熱量輸入用于產(chǎn)生中溫位冷量，冷卻低壓循環(huán)的吸收器，另一份外部熱量輸入用于產(chǎn)生低溫位冷量的“蒸發(fā)-吸收熱耦合”循環(huán)；圖22(c)、圖23(b)、圖23(c)中，利用再吸收循環(huán)的再吸收器與吸收器(或冷凝器)熱耦合，得到同樣多次外部熱源輸入，產(chǎn)生一份冷量的結(jié)果，也屬于多級循環(huán)。與單效循環(huán)相比，多級循環(huán)降低單位外部熱源熱量的利用效率，也降低了對外部熱源的品位要求，比單效循環(huán)的驅(qū)動熱溫度低，因此n級循環(huán)，也被稱為1/n效循環(huán)。

圖21 大溫度滑移“蒸發(fā)-吸收”熱耦合中間效循環(huán)(單效到雙效之間)Fig.21 Evaporation-absorption variable effect absorption cycle with large temperature glide (from single effect to double effect)

圖22 兩級吸收式循環(huán)Fig.22 Two-stage absorption cycle

圖23 三級吸收式循環(huán)Fig.23 Three-stage absorption cycle

F. Ziegler 等[64]通過定性分析，提出了可能存在的多種吸收式循環(huán)，其中就包括兩級和多級吸收循環(huán)，并在綜述中提及[65-66]。D. Kim等[67]通過比較幾種不同形式的吸收式制冷循環(huán)用于太陽能集熱器，發(fā)現(xiàn)半效循環(huán)(即兩級循環(huán))在采用平板太陽能集熱形式時，具有更好的經(jīng)濟性能，且使用NH3-LiNO3工質(zhì)對無論在性能還是造價上均優(yōu)于NH3-H2O溶液工質(zhì)對，而NH3-NaSCN工質(zhì)對，由于需要額外泵功輸送，不適用于該循環(huán)。D. Erickson等[68]對兩級循環(huán)進行了性能計算和評價。S. Arivazhagan等[69]對兩級吸收循環(huán)進行了實驗研究，其工質(zhì)對采用R134a/DMAC，蒸發(fā)溫度為-7 ℃，發(fā)生溫度55～75 ℃，性能較NH3-H2O溶液工質(zhì)對略低，但安全性更好。M. Izquierdo等[70]對兩級水/溴化鋰工質(zhì)對吸收循環(huán)進行了分析，其結(jié)果顯示兩級循環(huán)效率，比單效循環(huán)低22%、比兩效循環(huán)低32%。B. H. Gebreslassie等[58]對兩級、單效、雙效、三效多個循環(huán)進行了分析，其中兩級循環(huán)最大COP可達0.458，效率可達0.359。在M. Madveshi等[71]的模擬計算中，考慮到太陽能集熱器的損失，兩級循環(huán)效率可以達到0.44，效率可以達到21%。

多級循環(huán)所需熱量(如太陽能和煙氣余熱)品位低，且通常可以免費獲得，因此“電COP”也是重要指標(biāo)。S. Du等[72]對兩級循環(huán)進行了實驗研究，采用的是空冷冷卻、NH3-H2O溶液為工質(zhì)對，熱性能COP最高可達到0.25，電COP最高可達5.1。M. Aprile等[73]也采用空冷氨水兩級循環(huán)制冷，最大COP達到0.3，電COP達到10。兩級吸收循環(huán)不僅可以采用單一溶液，高低壓級也可以分別采用兩種不同溶液，如水/氯化鋰和水/溴化鋰[74]。

2.5中間級吸收式循環(huán)

圖24 單效/兩級循環(huán)(兩級到單效之間)Fig.24 Single effect and double lift absorption cycle (from two stage to single effect)

為提高兩級吸收式循環(huán)效率，充分利用低于單效循環(huán)所需品位熱源的熱量，Y. Chen等[75]將兩級吸收循環(huán)與單效吸收循環(huán)耦合，提出單效/兩級循環(huán)，其原理如圖24所示。該循環(huán)中單效循環(huán)和兩級循環(huán)共用一個低壓吸收器，低壓發(fā)生器發(fā)生出的蒸氣被高壓吸收器吸收構(gòu)成兩級循環(huán)，高壓發(fā)生器和低壓吸收器組成單效循環(huán)。Y. Chen等[76]對此進行了改進，提出1.x級循環(huán)，將前者的兩級循環(huán)的高壓級溶液循環(huán)整合到單效循環(huán)內(nèi)部，效率得到提升約5%～10%。X. N. Yan等[77]采用“蒸發(fā)-吸收”預(yù)冷的方式，對制冷溫度位的范圍進行了拓展，總體上仍然是一種單效/兩級循環(huán)，效率介于單效和兩級之間。

2.6GAX循環(huán)

圖25 SGAX(基本GAX)循環(huán)Fig.25 Standard GAX cycle

圖26 BGAX(分支GAX)循環(huán)Fig.26 Branched GAX cycle

GAX循環(huán)(即“發(fā)生器-吸收器熱交換”循環(huán))是一種無級連續(xù)變效吸收式制冷循環(huán)，它利用吸收劑與制冷劑工質(zhì)沸點相近，吸收器與發(fā)生器存在較大溫度重疊的特性，通過循環(huán)內(nèi)部連續(xù)回?zé)?，可以有效減少外部熱源熱量的輸入。以氨水GAX循環(huán)為例，由于發(fā)生器進行等壓發(fā)生和吸收器進行等壓吸收過程，隨著溶液濃度變化，溶液有較大的溫度滑移，吸收器和發(fā)生器之間存在一定的溫度重疊，因此部分用于發(fā)生器發(fā)生的熱量可以由吸收器的吸收熱提供，從而大大減少發(fā)生器對外部熱源熱量的需求，同時減少吸收器冷卻負荷。吸收-發(fā)生熱耦合是GAX循環(huán)的主要特征，效率可以顯著高于單效循環(huán)[7]，原理如圖25所示。GAX是一種循環(huán)包涵內(nèi)部換熱的思想，A. Rojey等[78]最早在20世紀(jì)80年代就提出了該想法。G. Grossman等[79]對基本的GAX循環(huán)進行了理論研究，最大COP可達1.07。為了進一步提高GAX循環(huán)效率，D. C. Erickson[80]提出了分支GAX循環(huán)。原理如圖26所示。分支GAX循環(huán)僅在吸收器的熱端和發(fā)生器的冷端增加了一個溶液泵，用于提高溶液流速強化吸收-發(fā)生熱交換[81]。

對GAX循環(huán)進一步改進方法包括構(gòu)建與多級(或多效)相結(jié)合的復(fù)雜的GAX 循環(huán)，或構(gòu)建壓縮復(fù)合GAX循環(huán)。Y. Shi等[82]引出部分水冷吸收器的溶液進入低溫吸收器，吸收部分蒸發(fā)器中制冷劑，構(gòu)建了性能更高的GAX循環(huán)。Y. T. Kang等[83]提出了多種壓縮復(fù)合吸收循環(huán)結(jié)構(gòu)：如將壓縮機置于蒸發(fā)器和水冷吸收器之間，可以降低蒸發(fā)器壓力，提高系統(tǒng)性能，A. R. Kumar等[84]對其進行了理論模擬；或?qū)嚎s機置于發(fā)生器和冷凝器之間，當(dāng)冷凝器壓力保持一定時，發(fā)生溫度可以得到降低，從而降低熱源溫度，當(dāng)發(fā)生溫度保持不變時，冷凝器可以在較高的溫度位產(chǎn)生冷凝熱用于生產(chǎn)熱水。對于前面一種改進系統(tǒng)的方案，M. Dixit等[85]做出了系統(tǒng)模擬，得到HGAX(混合GAX)循環(huán)的理論最大效率可以達到1～1.88，遠高于基礎(chǔ)GAX的0.7～1.1，HGAX的熱力學(xué)第二定律效率理論最大值可達22%～43%，遠高于SGAX(基礎(chǔ)GAX)的21%～35%。M. Yari等[86]模擬計算得到在400～440 K發(fā)生溫度范圍，HGAX循環(huán)較SGAX循環(huán)第二定律效率可以提高75%。對GAX循環(huán)另一種改進方法是采用引射器構(gòu)建“引射-GAX循環(huán)”[87]。A. S. Mehr等[88-90]對其熱經(jīng)濟性能也進行了研究，對比了標(biāo)準(zhǔn)、引射、壓縮混合的幾種不同GAX循環(huán)，此外，GAX循環(huán)也可以構(gòu)造多級GAX循環(huán)，從而降低發(fā)生溫度。T. Toppi等[91]對兩級GAX循環(huán)進行了模擬計算，驅(qū)動溫度可以低至90 ℃，COP最高可達0.56。更多改進的GAX循環(huán)可以參考相關(guān)文獻[92-94]。

3 復(fù)合循環(huán)

復(fù)合循環(huán)是指吸收式循環(huán)與其他非傳統(tǒng)吸收式循環(huán)部件構(gòu)成的循環(huán)，如與噴射器構(gòu)成“噴射-吸收復(fù)合循環(huán)”，與壓縮機構(gòu)成“壓縮-吸收復(fù)合循環(huán)”，與膨脹機構(gòu)成“膨脹-吸收復(fù)合循環(huán)”等。其他循環(huán)與吸收式循環(huán)，通過循環(huán)與循環(huán)之間熱交換的形式可以耦合為多種復(fù)疊循環(huán)也屬于復(fù)合循環(huán)，本節(jié)不作介紹。

3.1噴射-吸收復(fù)合循環(huán)

噴射器(或稱引射器)是一種有效利用流體壓力能的部件，當(dāng)系統(tǒng)中存在明顯高低壓壓差時，噴射器通?？梢匀〈?jié)流裝置提高系統(tǒng)性能，比同樣能夠回收壓力能的部件膨脹機結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，并可以用于干度較低的工況。噴射與吸收復(fù)合是改進吸收式循環(huán)的有效方法，復(fù)合的噴射-吸收循環(huán)種類多樣，其中噴射器性能對復(fù)合循環(huán)效率有很大影響，幾種主要的噴射-吸收復(fù)合循環(huán)原理如圖27所示。

圖27 噴射-吸收復(fù)合循環(huán)Fig.27 Combined ejector-absorption cycle

L. T. Chen[95]將噴射器用于吸收式制冷當(dāng)中，噴射器工作流體為發(fā)生器出口富含制冷劑R22的吸收劑DME-TEG溶液，噴射器出口為吸收器，用于引射來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣。J. Wang等[96]改進L. T. Chen[95]的循環(huán)，在其基礎(chǔ)上增加溶液泵，提高噴射器入口壓力從而提高噴射器性能。D. W. Sun等[97]將噴射器置于發(fā)生器蒸氣出口和冷凝器蒸氣入口，用于引射蒸發(fā)器出口的制冷劑蒸氣，采用的工質(zhì)對為H2O-LiBr。L. B. Jiang等[98]對比了D. W. Sun等[97]提出的噴射-吸收循環(huán)與商用兩效循環(huán)，噴射-吸收循環(huán)COP低于商用兩效循環(huán)，但由于使用廢熱驅(qū)動，長期使用的經(jīng)濟性能較燃氣的商用兩效系統(tǒng)具有優(yōu)勢。文獻[99-102]對四壓型吸收式制冷循環(huán)做了詳細研究，同樣采用通過將一部分蒸發(fā)器出口的制冷劑引射到冷凝器，該循環(huán)的性能系數(shù)比傳統(tǒng)單效循環(huán)的性能系數(shù)高30%～60%。為了提高單效吸收式制冷循環(huán)性能，降低兩效循環(huán)發(fā)生溫度，D. L. Hong等[103]在兩效循環(huán)中引入引射器。較傳統(tǒng)單效循環(huán)性能提升20%以上，同時發(fā)生溫度可以運行在單效循環(huán)和雙效循環(huán)之間，具有變效的能力；L. G. Farshi等[104]對D. L. Hong等[103]提出的兩效噴射循環(huán)與傳統(tǒng)兩效循環(huán)進行了經(jīng)濟性比較分析，得出帶噴射器的循環(huán)具有較好的經(jīng)濟性能。該循環(huán)形式充分利用發(fā)生器出口蒸氣的，有效利用溶液高低壓的壓差。

A. Sozen等[105]在壓差較小的擴散吸收式制冷循環(huán)中引入引射器，引射器工作流體為部分氣泡泵回流后的貧氨溶液，引射器出口為吸收器，引射來自蒸發(fā)器中的氨蒸氣，經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，性能較改造前的擴散吸收制冷循環(huán)效率有了顯著提升。R. Sirwan等[106]對D. K. Sun等[97]提出的噴射-吸收循環(huán)進行改進，在冷凝器到蒸發(fā)器之間增加閃蒸罐，提高噴射器的引射性能以提高COP。噴射-吸收在兩效循環(huán)中的應(yīng)用具有很高的實用價值，針對噴射-兩效吸收進行的熱力學(xué)分析和熱經(jīng)濟性分析得到較多研究[107-110]。此外，噴射器內(nèi)部通常認為是絕熱過程，因此可以與絕熱吸收相結(jié)合[111]；兩級循環(huán)也可以引入噴射器提高循環(huán)效率[112]。

3.2壓縮-吸收復(fù)合循環(huán)

壓縮機是電驅(qū)動機械式蒸氣壓縮制冷循環(huán)中的關(guān)鍵部件，為了降低蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)壓力、提高冷量品位，彌補太陽能等分布式能源穩(wěn)定性差等不足，學(xué)者們提出了壓縮-吸收復(fù)合循環(huán)。壓縮機入口需要干度較高的氣態(tài)工質(zhì)，因此壓縮-吸收復(fù)合循環(huán)與噴射-吸收復(fù)合循環(huán)相比，構(gòu)造形式相對單一。一種為壓縮機入口與發(fā)生器氣體制冷劑出口相連，如圖28(a)所示；另一種為壓縮機入口與蒸發(fā)器氣態(tài)制冷劑出口相連如圖28(b)和28(c)所示，其中圖28(c)中，壓縮機與溶液循環(huán)并聯(lián)。

M. Stokar[113]提出的壓縮-吸收循環(huán)，將壓縮機與一個溶液循環(huán)直接相連，可以產(chǎn)生15 ℃冷水和70 ℃熱水。L. Ahlby等[114]針對溶液吸收過程具有溫度滑移的特點，以系統(tǒng)內(nèi)、外部溫度匹配的角度對Stokar系統(tǒng)進行了參數(shù)優(yōu)化，并與R12的系統(tǒng)進行了比較研究。M. Hulten等[115]針對具體制冷量下，各個換熱部件的換熱面積和溫度滑移量做了具體優(yōu)化，對該種循環(huán)形式，A. K. Pratihar等[116]對不同的溶液換熱器面積進行比較，得到溶液換熱器面積的最優(yōu)值，并與R22壓縮循環(huán)性能作比較。R. Ayala等[117-118]采用壓縮機與溶液循環(huán)并聯(lián)的形式構(gòu)建壓縮-吸收復(fù)合循環(huán)，并針對該循環(huán)進行了實驗研究。J.B.Li等[119-120]采用不同工質(zhì)對該種并聯(lián)壓縮機形式的復(fù)合循環(huán)進行模擬計算，電COP最高可達14.85。M. Fukuta等[121]在常規(guī)單效循環(huán)的蒸發(fā)器和吸收器之間增加壓縮機，降低了蒸發(fā)器壓力。A. Rameshkumar等[122]同樣采用蒸發(fā)器和吸收器之間加入壓縮機的方式，其采用的基本循環(huán)為GAX循環(huán)，較基本GAX循環(huán)的COP可以提高30%以上，在2.6節(jié)中有介紹。壓縮機還可以置于發(fā)生器和冷凝器之間，較無壓縮機的循環(huán)一次能源效率有大幅提升[123]。其實質(zhì)是取代串聯(lián)多效循環(huán)中的一個溶液循環(huán)，J. S. Kim等[124]對幾種壓縮機替換的三效循環(huán)進行了比較研究，該種循環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效降低發(fā)生溫度，部分解決了溴化鋰高溫下腐蝕性問題。此外，還有兩級吸收循環(huán)與壓縮機復(fù)合，壓縮機置于低壓級發(fā)生器與高壓級吸收器之間[125]。

復(fù)疊循環(huán)是深度制冷的常用方法，采用循環(huán)之間熱耦合，如高溫級采用吸收式循環(huán)，低溫級采用壓縮式循環(huán)，這種壓縮吸收復(fù)合形式也十分普遍，具體可以參考相關(guān)文獻[126-140]。

3.3膨脹-吸收復(fù)合循環(huán)

采用與膨脹機共同構(gòu)建的膨脹-吸收復(fù)合循環(huán)(即功冷并供循環(huán))，可以同時生產(chǎn)機械功和冷量。采用低品位能源如太陽能、地?zé)崮芎凸I(yè)廢熱等熱源，進行多樣化的產(chǎn)品輸出，比單獨的制冷系統(tǒng)和單獨的發(fā)電系統(tǒng)更好地覆蓋典型的建筑中可變制冷和做功工況，幾種主要的膨脹-吸收復(fù)合循環(huán)原理如圖29所示。

圖29 膨脹-吸收復(fù)合循環(huán)Fig.29 Combined turbine-absoprion cycle

溶液吸收式動力循環(huán)最早可以追溯到20世紀(jì)50年代，M.J. D. Jr等[141]提出的溶液動力循環(huán)取代純工質(zhì)的朗肯循環(huán)。80年代A. I. Kalina[142-144]提出了一系列此類溶液循環(huán)，用于熱驅(qū)動的動力做功發(fā)電，上述循環(huán)需要高品位的熱量，驅(qū)動溫度通常在400 ℃以上。同一套溶液循環(huán)實現(xiàn)功冷并供的系統(tǒng)由D. Y. Goswami[145]在1995年提出，結(jié)合了Rankine循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)，提供了機械功和冷量(副產(chǎn)品)的輸出。D. C. Erickson等[146]在2004年提出了氨水吸收式循環(huán)可以交替地產(chǎn)生功和冷。F. Ziegler[147]于2007年提出了一個采用兩效循環(huán)中引入膨脹機的吸收式功冷并供系統(tǒng)，效率更高。N. Zhang等[148]于2007年提出了三種不同的動力循環(huán)和制冷循環(huán)的配置形式(并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián))：并聯(lián)時，濃度為97.9%氨蒸氣用于制冷，濃度為9.8%氨水溶液用于朗肯循環(huán)產(chǎn)生功；串聯(lián)時，濃度為94.5%氨蒸氣用于制冷，吸收后濃度為32.4%氨水溶液用于朗肯循環(huán)產(chǎn)生功；混聯(lián)時，濃度為97.9%氨蒸氣用于制冷，濃度為9.8%氨水溶液用于朗肯循環(huán)產(chǎn)生功。D. S. Ayou等[149]詳細綜述了多種吸收式功、冷單獨產(chǎn)生或聯(lián)合產(chǎn)生的循環(huán)，并提出了基于吸收式功冷并供循環(huán)和A. I. Kalina[142-144]循環(huán)相結(jié)合的新循環(huán)。這些循環(huán)的主要優(yōu)點在于能夠利用低品位的能源如太陽能或廢熱等中低溫度位。

4 結(jié)論

本文以制冷循環(huán)為例對閉式溶液吸收式循環(huán)進行了綜述研究。簡要介紹了吸收式制冷的研究目標(biāo)、特點、早期發(fā)展歷史和吸收式制冷當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，重點介紹各種吸收式制冷循環(huán)的工作原理、運行工況、熱力學(xué)性能等最新研究進展。首先，詳細綜述了基本吸收循環(huán)中，多種不同形式的單吸收循環(huán)。然后，進一步綜述了單吸收循環(huán)通過增效或減效構(gòu)建出的多種的多吸收循環(huán)。最后，綜述了由其他非傳統(tǒng)吸收式循環(huán)部件與吸收式循環(huán)部件構(gòu)成的復(fù)合循環(huán)。

單效循環(huán)是構(gòu)建復(fù)雜循環(huán)的基礎(chǔ)，單效循環(huán)也是低品位熱能應(yīng)用的重要循環(huán)形式。根據(jù)應(yīng)用場景不同，可以采用基本單效吸收式循環(huán)(溴化鋰冷水機組、更低溫度的氨水機組)、完全熱驅(qū)動的擴散吸收式循環(huán)、結(jié)構(gòu)緊湊易于小型化的膜吸收式循環(huán)、用于產(chǎn)生更高品位熱量的熱變換器循環(huán)、無電驅(qū)動間斷發(fā)生的閥切換循環(huán)和深冷應(yīng)用的自復(fù)疊循環(huán)。

多效循環(huán)和多級循環(huán)是在單吸收循環(huán)基礎(chǔ)上構(gòu)建得到，各種單吸收循環(huán)可以構(gòu)建為更復(fù)雜的多吸收循環(huán)，多吸收循環(huán)根據(jù)熱源溫度范圍可以進行增效或減效，以及多熱源驅(qū)動。因此，可以構(gòu)建多種多吸收循環(huán)。復(fù)合循環(huán)由多種部件構(gòu)成，循環(huán)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，每種多吸收循環(huán)都可以構(gòu)建更復(fù)雜的復(fù)合循環(huán)。

循環(huán)形式是吸收式制冷的核心，采用不同結(jié)構(gòu)的吸收式循環(huán)，具有截然不同的應(yīng)用場景和應(yīng)用目標(biāo)。作為吸收式循環(huán)的血液(溶液工質(zhì)對)，是限制吸收式循環(huán)合理構(gòu)建的重要約束條件，因此工質(zhì)對的研究與循環(huán)研究密不可分，但本文限于篇幅并未詳細介紹。部件的傳熱和傳質(zhì)性能也是影響循環(huán)性能的重要因素，特別是如吸收器、氣泡泵、噴射器等損失占比大的部件。此外，循環(huán)控制策略、動態(tài)啟動特性等是吸收式機組、實驗過程需要重點考慮的因素，并未在本文中涉及。

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Aboutthecorrespondingauthor

Chen Guangming, male, Ph.D., professor, doctoral tutor, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, +86 571-87951680, E-mail:gmchen@zju.edu.cn. Research fields:fundamental thermodynamics of refrigeration, low grade energy utilization and energy conversion, refrigeration air-conditioning and heat pump technology, absorption refrigeration, new refrigerants, thermophysical technology in cryobiology.

State-of-the-artAbsorptionRefrigerationandHeatPumpCycles

Chen Guangming Shi Yuqi

(Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology in Zhejiang Province, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China)

As the first artificial refrigeration method developed, absorption refrigeration has been around for more than 200 years. In truth, it has been used in civil and industrial applications for more than 60 years. Absorption refrigeration has developed rapidly in terms of theory and application over the past 20 years, and in the refrigerator market occupies a considerable share, has drawn significant attention from both domestic and foreign manufacturers. With an increase in human energy consumption, in-depth research on new and distributed energy sources and their efficient utilization needs to be carried out. The use of waste heat, renewable solar energy, and geothermal energy make heat-driven refrigeration (heat pumps) an increasingly attractive option.

Unlike electric-driven vapor compression refrigeration (heat pump) systems, absorption refrigeration (heat pump) technology can be driven directly using thermal energy from low-grade heat sources, operating at a much lower cost than the electric-driven system. Owing to their environmentally friendly features, including safety, noise-free operation, high reliability, and other significant advantages, absorption systems have adopted a water-lithium bromide solution, an ammonia-ammonia solution, or other natural refrigerant as the working fluid. However, absorption systems have a large footprint, a large initial investment, high cooling load, low energy efficiency (direct combustion form), and other deficiencies. In view of these characteristics, the main research directions at this stage include an optimization of the cycle design, the selection of a working fluid, enhancement of the heat and mass transfer of the system components, and optimization of the system control strategy.

The absorption cycle, in a narrow sense, refers to a closed, vapor refrigerant absorbed by the solution refrigeration (heat pumps) cycle. This family of cycle, in accordance with its classification of cycle configuration, includes single absorption cycles, multi-absorption cycles, and combined cycles. Single absorption cycles consist of a basic single-effect absorption cycle, diffusion absorption cycles, membrane absorption cycles, heat booster cycles, gravity-driven valve-operation cycles, and self-cascade cycles. A multiple absorption cycle mainly includes a reabsorption cycle, multi-effect cycles, intermediate-effect cycles, multi-stage cycles, intermediate-stage cycles, and GAX cycles. Combined cycles mainly consist of ejection-absorption cycles, compression-absorption cycles, and expansion-absorption cycles.

Existing research into absorption refrigeration technologies includes, but is not limited to, solar energy, medium and low temperature level waste heat utilization, combined heat and power, energy storage (cooling and heat storage), membrane exchange materials, high-temperature corrosion-resistant materials, plastic heat exchangers and so on. The existing absorption cycle was designed to satisfy a certain temperature and concentration range. In the face of new applications, new materials and a new absorption of working fluids, novel absorption cycles can be proposed with greater efficiency, wider ranges of heat-source driven temperature and solution concentration.

refrigeration cycle; absorption refrigeration; lithium bromide; ammonia water; progress; review

0253- 4339(2017) 04- 0001- 22

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.001

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFB0901404)資助項目。(The project was supported by the National Key Research and Development Program (No. 2016YFB0901404).)

2016年9月28日

TB61+6； TQ051.5

： A

陳光明，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，(0571)87951680，E-mail：gmchen@zju.edu.cn。研究方向：制冷基礎(chǔ)熱力學(xué)理論、節(jié)能與低品位能源利用、制冷空調(diào)熱泵技術(shù)、吸收制冷、新型制冷劑、低溫生物中的熱物理技術(shù)。